BOSRESER
VA
TEN
NIEU
W
S
17
//
26
.
_
_
.
_
.
Het Zoniënwoud in 3D opmeten: op stap met een laserscanner
Miro Demol, Kris Vandekerkhove, Luc De Keersmaeker en Peter Van de Kerckhove
Een Terrestrische Laser Scanner (TLS) in actie in het bosreservaat van Zoniënwoud (foto: Luc De Keersmaeker)
Vorige lente testte Miro Demol een 3D-laserscanner uit het bosreservaat Joseph Zwaenepoel. Dit soort scanners, ook bekend als terrestrial lidar, heeft een aantal veel-belovende toepassingen voor het bosbeheer.
BOSRESER
VA
TEN
NIEU
W
S
17
//
27
.
_
_
.
_
.
Rond het inventariseren van bomen en bossen (dendrometrie) bestaat al een heel lan-ge traditie. Deze gegevens zijn immers essentieel om het bosbeheer op te volgen en te sturen. In het verleden stond (hout)productie daarbij centraal en wou men de groei van de houtvoorraad goed opvolgen. De laatste decennia zijn ook andere functies van het bos meer in de aandacht gekomen: naast economische doelen zijn dat biodiversiteit, de sociale functie van bossen en recent ook de buffering van klimaatsverandering door bossen. Dat maakt dat de vraag naar data uit het bos alleen maar is toegenomen en complexer is geworden (liggend dood hout, volumes van levende bomen,...). Er is dus dringend nood aan nieuwe technieken om deze complexe gegevens op een nauwkeu-rige manier op te meten. Met een eenvoudige diameter-meting komen we er immers niet meer.Het bos opmeten met lasers: een virtueel snapshot van het bos
Een veelbelovende techniek is het gebruik van 3D-scanners. Deze kunnen immers een ongelofelijk precies ruimtelijk beeld maken. Zo een terrestrial laser scanner (TLS, ook wel terrestrische lidar) is een toestel dat enkele honderdduizenden laserpulsen uit- stuurt, die dan weerkaatsen op objecten in de directe omgeving en terug worden opge-vangen door de scanner. Het tijdsverschil tussen de uitgaande en terugkerende puls kan met de lichtsnelheid omgerekend worden tot een uiterst precieze afstandsbepaling. Het resultaat van zo een TLS-scan is dan een 3D-puntenwolk, bestaande uit miljoenen punten, telkens waar de laser op een object is gereflecteerd. Vanwege hun snelheid, accuraatheid en het feit dat objecten vanop afstand kunnen ingemeten worden, werden TLS-systemen vanaf begin de jaren 2000 populair in de mijnbouw en ingenieurstechniek. Gradueel werden ook experimenten in bossen uit-gevoerd. Onderzoekers zagen in TLS een innovatieve mogelijkheid om de structurele complexiteit van bossen zeer gedetailleerd in kaart te brengen. Met gespecialiseerde software kunnen daar dan allerlei analyses en metingen mee worden uitgevoerd.
BOSRESER
VA
TEN
NIEU
W
S
17
//
28
.
_
_
.
_
.
Figuur 2 onder: van puntenwolk tot boom-volume. Op de figuur een stukje Zoniënwoud van 60 bij 60 meter met (a) de volledige pun-tenwolk vanuit zeven verspreide scanposities (gekleurd volgens de hoogte), (b) de geclassifi-ceerde puntenwolk, met grondpunten (bruin),
vegetatiepunten (zwart). (c) Voor verdere analyses worden de vegetatiepunten
geseg-menteerd tot afzonderlijke bomen. Figuur 1: een Quantitative Structure Model
(QSM) benadert de boomvorm door cilin-ders te fitten aan de puntenwolk. De kleuren geven de tak-orde weer. Blauw is de spil van de boom, groen de eerste orde vertakking, rood de tweede orde, enz.
Het staand volume van bomen wordt klassiek bepaald aan de hand van metingen van diameter en hoogte van bomen, die dan via volumetabellen (‘tarieven’) of zogenaamde allometrische relaties worden omgerekend naar een boomvolume of biomassa. Deze relaties moeten voor elke standplaats en boomsoort gekalibreerd worden, dat wil zeg-gen dat een voldoende groot aantal gevelde bomen in detail worden opgemeten en gekubeerd, om daarna het gevonden volume te relateren aan de diameter en hoogte van de overige bomen. Het spreekt voor zich dat dit een bijzonder tijdrovend en duur werk is, zeker voor grote bomen en complexe bostypes. Bovendien blijf je voor de volumebepaling van je levende bomen dus afhankelijk van hoogtemetingen en omre-keningen voor een ‘gemiddelde boom’ van dezelfde dimensies. Op deze metingen en omrekeningen kan een belangrijke fout zitten. Eén van de belangrijkste toepassingen van TLS is het direct afleiden van boomvolume op basis van een scan van de boom. Dit stelt ons in staat om enerzijds preciezere allometrische relaties te maken, en anderzijds zonderlinge bomen, die bv. afwijken qua boomvorm, geschiedenis, groeiplaats etc. kwantitatief op te meten. Denk maar aan stadsbomen (open lichtcondities, verstoorde bodem, ingrijpende snoei,…) of ve-teraanbomen. Andere uitersten zijn bijvoorbeeld extreem grote bomen, die iets over fysische en biologische grenzen van plantengroei kunnen vertellen. Toch komt er ook bij deze nieuwe techniek heel wat kijken: uit een puntenwolk haal je nog niet direct een volume omdat je daarvoor de onderlinge relatie van de punten moet kennen. Om tot volume te komen, worden eerst uit de puntenwolken de grond- en vegeta-tiepunten van elkaar onderscheiden. Vervolgens worden daar individuele bomen uit afgezonderd of ‘gesegmenteerd’. Daarna worden door middel van ‘Quantitative Struc-ture Modelling’ (QSM) cilinders aan de punten gemodelleerd. De cilinders vertrekken onderaan aan de stamvoet en versmallen en splitsen op, tot ze stoppen aan de fijnste takjes. Hiervoor wordt rekening gehouden met de biologische regels van boomgroei. Zo is een cilinder steeds kleiner in diameter dan zijn voorganger. Cilinders blijken daar-enboven een robuuste en precieze bouwsteen om de vorm van bomen te benaderen, en vragen minder rekenwerk dan geometrisch complexere vormen. Met deze cilinder-modellen kunnen we de eigenschappen van de boom becijferen, zoals het volume van de boom, maar ook een heel aantal veel complexere structurele eigenschappen. Met kennis van de houtdensiteit kan boomvolume zelfs omgezet worden in bovengrondse biomassa en koolstofgehaltes. Het hele proces van puntenwolk tot individuele boom wordt geïllustreerd in figuren 1 en 2.
BOSRESER
VA
TEN
NIEU
W
S
17
//
29
.
_
_
.
_
.
Nieuwe dimensies: de reuzen in Zwaenepoelreservaat
In de kernvlakte van het Zwaenepoelreservaat in het Zoniënwoud groeien een aantal van de grootste beuken van Europa (zie ook Bosreservatennieuws 16) en die wilden we graag in 3D vastleggen. In de lente van 2019 hebben we de grootste beuk gescand. Door op genoeg plaatsen rond de beoogde bomen te scannen, konden alle delen van de stam en kruin precies in 3D-beeld gebracht worden. Om diezelfde reden scannen we loofbomen wanneer ze niet in blad staan. De bladeren zorgen immers ook voor weer-kaatsing, waardoor het binnenste van de kruin niet in beeld komt. De data van de scans, al snel goed voor enkele miljoenen puntposities, werden nadien in een softwarepakket ingeladen voor de postprocessing. Daar werden de scans van verschillende posities sa- men in hetzelfde coördinatensysteem gebracht, werden de geselecteerde bomen ‘uit-geknipt’ en cilindermodellen gemaakt. Dit leidde uiteindelijk tot een zeer gedetailleerd driedimensioneel beeld van de boom (zie figuur), waar allerlei metingen en bereke-ningen op konden worden gedaan. Onze analyses tonen aan dat boomhoogte van de recordbeuk 46,24 m bedraagt. Dat komt zo goed als exact overeen met de opmetingen door het INBO en de boomklimmers enkele jaren geleden, die op 46,30 meter uitkwa-men. De boom heeft een gigantisch volume: niet minder dan 59 kubieke meter. Ook dat komt zeer goed overeen met de berekening op basis van tarieven. Uit de QSM’s blijkt nog dat deze recordbeuk meer dan 20.000 takken heeft, goed voor 14 km aan takken en een gezamenlijke tak-oppervlakte van 1900 vierkante meter. De projectie van de kruin beslaat een oppervlakte van bijna 350 vierkante meter. Dit zijn variabelen die we met de klassieke opmetingen niet kunnen begroten.
Miro Demol geeft uitleg aan het bosreservatenteam over de werking van een TLS - op de achtergrond de te scannen beuk (foto: Luc De Keersmaeker). Figuur 3 : het spectaculaire eindbeeld : :
BOSRESER
VA
TEN
NIEU
W
S
17
//
30
.
_
_
.
_
.
Plannen voor de toekomst: doodhoutinventarisatie met lidar
Zowel bij de Vlaamse bosinventaris als bij de bosreservatenmonitoring wordt veel be-lang gehecht aan de opmeting van dood hout. Voor liggend dood hout is dat geen evidentie. Bij de bosinventaris gebruikt men hiervoor de line-intersect-methode, in de bosreservaten worden alle doodhoutfragmenten binnen een proefvlak in detail inge- meten en gekubeerd met formules afgeleid van een afgeknotte kegel. Deze bereke-ningen zijn een sterke vereenvoudiging van de werkelijkheid. Ze houden immers geen rekening met rare kronkels, vergroeiingen en onregelmatige breukvlakken. Zeker bij sterk verteerde stukken hout wordt de fout groot, want het is onmogelijk om rekening te houden met allerlei scheuren, afplattingen en holtes die door vertering in het hout ontstaan. We zitten dus steeds met een overschatting van het werkelijke volume. Hier biedt de laserscanner interessante nieuwe mogelijkheden. TLS is immers geknipt om onregelmatige structuren te registreren en volumes te bepalen. We hopen in de nabije toekomst een verkennende studie op te zetten (via een masterthesis) waarbij we de praktische toepasbaarheid bekijken en tegelijk vergelijkingen maken met klassiek opgemeten dood hout volumes.
Geïntegreerde bosmonitoring: zorgt TLS voor een revolutie?
Op dit moment vergt de dataverzameling met TLS een gelijkaardige tijdsinvestering als de klassieke volopname (ongeveer 1 mandag/hectare in open, volwassen bos). Daar moeten nog tijd voor postprocessing en volumereconstructies bijgerekend worden. Met een prijskaartje van > 100.000 euro zijn high-end scanners niet meteen beschik- baar voor particulier gebruik. De lidar-markt is echter in volle ontwikkeling, mede aan-gedreven door de hype van de zelfrijdende auto’s, die lidar gebruiken voor autonome navigatie. Het is aannemelijk dat veel analyses die nu manueel gebeuren, in de komen-de 5-10 jaar volautomatisch kunnen door verbetering van de software en dat scanners goedkoper en gebruiksvriendelijker zullen zijn. De grootschalige toepassing van TLS in het bosbeheer lijkt nog niet voor zo meteen, maar het kan snel gaan. Frankrijk heeft nu reeds (als enige land in Europa) systematisch TLS scans in zijn nationale bosinventarisatie, maar de capaciteit voor de verwerking van de scans is nog in ontwikkeling. In het onderzoek is TLS dan wel weer een vast begrip geworden. Enkele voorbeelden van huidig onderzoek: het 3D-detecteren van de impact van lianen op de vitaliteit van tropische bossen, de staande houtkwaliteit en sortimen-tering bepalen (bv. door een scanner op een harvester te monteren), boomsoorten onderscheiden via boomarchitectuur (vertakking, schors) met machine learning, de biomassa van stadsbomen bepalen, bladoppervlakte-indexen (LAI) meten, concurren-tie voor licht in de kronen kwantificeren, gevoeligheid voor windworp detecteren, de invloed van bosbrand meten,… Voor de toekomst kijkt men vooral uit naar de verdere ontwikkeling van laserscanners op drones. NASA lanceerde ook een lidarsatelliet met de flitsende naam GEDI, die in staat zal zijn om globaal de biomassa van bossen te me-ten. De ‘virtuele dendrometrie’ wordt dus meer en meer realiteit. https://sketchfab.com/3d-models/a-beech-tree-in-wuustwezel-belgium-78b7917b4fa943a3ab90e-6897f6abfa8
Miro Demol is Doctoraatsonderzoeker bij CAVElab – computational and applied vegetation ecology, UGent en PLECO, Plants & Ecosystems, UAntwerpen
